西工大林鑫四校聯(lián)合頂刊丨激光混合增材制造超高強(qiáng)鋼的顯微組織和力學(xué)性能

來(lái)源： 增材制造碩博聯(lián)盟

35CrMnSiA是一種超高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于具有幾何規(guī)則結(jié)構(gòu)和復(fù)雜延伸特征的關(guān)鍵部件，例如結(jié)構(gòu)殼體。激光混合增材制造（LHAM）是一種結(jié)合了傳統(tǒng)制造和增材制造優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)。例如，將鍛造和定向能量沉積（DED）結(jié)合的LHAM技術(shù)先將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鍛造成規(guī)則的幾何形狀，并利用DED來(lái)制造復(fù)雜的延伸部件。這種LHAM具有快速且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)這些組件的潛力。然而，LHAM制備的35CrMnSiA鋼不同區(qū)域顯微組織的形成機(jī)制及其對(duì)整體拉伸性能的影響仍不清楚，從而極大地限制了其應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林鑫教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)和南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際頂級(jí)期刊《Materials Science and Engineering: A》上發(fā)表了最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”，采用鍛造35CrMnSiA鋼作為基礎(chǔ)材料，并利用定向能量沉積(DED)來(lái)制造無(wú)缺陷的LHAM零件。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖1. 35CrMnSiA 鋼激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) (a) 35CrMnSiA鋼粉的形貌和尺寸分布；(b) LHAM過(guò)程的示意圖；(c) LHAM 制作的 35CrMnSiA 鋼樣品以及拉伸試驗(yàn)和 DIC 試樣的制備；拉伸試樣（d）和DIC試樣（e）的尺寸，單位為mm

LHAM制造的35CrMnSiA鋼的顯微組織與位置相關(guān)。激光沉積區(qū)域包含具有內(nèi)部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體，而基底區(qū)域包含馬氏體。熱影響區(qū)呈現(xiàn)出兩者之間的梯度微觀結(jié)構(gòu)。沉積區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)主要受沉積過(guò)程中的凝固行為和熱歷史的影響，而熱影響區(qū)則主要受再結(jié)晶的影響。微觀結(jié)構(gòu)的不均勻特征顯著影響其力學(xué)性能，導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”，即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區(qū)。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為959MP和15.2%。該研究為控制混合制造超高強(qiáng)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)化性能奠定了基礎(chǔ)。

圖2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的顯微組織 (a) 重構(gòu)奧氏體晶粒的 EBSD 圖；(b)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的位置和特征之間的關(guān)系；(c)–(d) LDZ、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍數(shù)的典型微觀結(jié)構(gòu)

圖4. 斷口分析

圖5. 不同冷卻速率下DED制備35CrMnSiA鋼的組織演變

圖6. 熱處理過(guò)程中組織演變示意圖

該工作研究了35CrMnSiA鋼熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)的成分、物相和顯微組織。此外，還研究了LHAM制造的35CrMnSiA鋼的力學(xué)性能和變形行為。主要結(jié)論如下。

(1) 熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)均主要由BCC相組成，并且存在最少的FCC相�；�體的特點(diǎn)是主要是板條馬氏體，而熱影響區(qū)則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區(qū)主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成，內(nèi)部和邊界均伴有彌散的碳化物�？拷�熔合線，熱影響區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉(zhuǎn)變，最終發(fā)展成完全細(xì)化的等軸晶粒。熱影響區(qū)主要由沿晶界富含碳化物的近等軸鐵素體組成，并伴有基體中納米級(jí)碳化物的析出。

(2) 沉積區(qū)內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的形成主要受熱行為的影響。連續(xù)的熱量輸入導(dǎo)致冷卻速度變慢，使碳能夠徹底分布和長(zhǎng)距離擴(kuò)散，從而形成珠光體團(tuán)。再結(jié)晶主要控制熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，基體區(qū)域經(jīng)歷多層滲透、臨界間退火和長(zhǎng)時(shí)間回火的復(fù)雜序列。采用常規(guī)的DED加工參數(shù)很難將LDZ組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

(3) 激光沉積區(qū)的屈服強(qiáng)度為746MPa，拉伸強(qiáng)度為1003MPa，伸長(zhǎng)率為19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強(qiáng)度為708MPa，抗拉強(qiáng)度為959MPa，延伸率為15.2%。它的強(qiáng)度大約是鍛造制品的一半�？傮w而言，超高強(qiáng)鋼的LHAM仍然具有挑戰(zhàn)性。不同區(qū)域發(fā)生機(jī)械失配現(xiàn)象，導(dǎo)致拉伸變形過(guò)程中應(yīng)變分布不均勻，導(dǎo)致較弱區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變集中和后續(xù)失效。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機(jī)械性能方面表現(xiàn)出顯著的“木桶效應(yīng)”。